Plazma a termojadrová fúzia

Plazma je skupenství, v němž se nachází jakákoliv hmota zahřátá na dostatečně vysokou teplotu (to znamená, že tepelný pohyb částic hmoty v sobě nese značnou kinetickou energii; teplota a tepelná energie částic značí v termodynamice totéž). Často se tak vedle tří známých skupenství, kterými hmota při zahřívání postupně prochází (pevné, kapalné, plynné), hovoří i o skupenství čtvrtém, plazmatickém.

Dostatečně vysoká je taková teplota, při níž se částice plynu pohybují již tak rychle, že se začínají svými vzájemnými srážkami "rozbíjet" na kladně nabitá jádra a záporně nabité elektrony. Místo známého plynu skládajícího se z elektricky neutrálních atomů tím tedy vzniká směs "plynů" dvou, tvořených částicemi majícími opačné elektrické náboje (ionty a elektrony). Tepelná energie potřebná k tomuto procesu je srovnatelná s vazební energií elektronů v atomech a teplota tedy musí dosahovat, vyjádřeno ve stupních, desítek až stovek tisíc stupňů.

Protože je koncentrace elektronů a iontů v plazmatu stejná, jeho celkový náboj je nulový. Mimo to, při značné ionizaci plynu může byt jeho elektrická vodivost velmi dobrá. Proto se iontové plazma svými vlastnostmi blíží kovům.

Plazma
se objevuje na kladně nabitém sloupci doutnavého výboje a také v hlavním kanále výboje jiskrového. V laboratorních podmínkách vzniká plazma nejenom v plynových výbojích. Ve vodivých pevných látkách jsou také pohyblivé vodivé elektrony a nepohyblivé kladné ionty se společným nábojem rovným nule, vlastně se tedy jedná také o elektronově-iontové plasma.

Vezmeme-li v úvahu nutnost vysokých teplot, není divu, že hmota se vyskytuje na Zemi v přirozeném plazmatickém stavu jen velmi vzácně - např. blesk nebo horní ionizovaná vrstva atmosféry Země (ionosféra). Jinak je tomu však v celém Vesmíru. V něm tvoří "studené" planety jen zlomek celkové hmoty, zatímco kolem 99% veškeré hmoty se naopak nachází ve stavu plazmatu.
Je-li plazma umístěno v elektrickém poli, vzniká v něm elektrický proud a vylučuje tepelná energie. Přitom energii v poli dostávají nejprve elektrony díky své větší pohyblivosti a potom tuto energii předávají kationtům při srážkách. Při takové srážce nedojde kvůli značným rozdílům ve hmotnostech obou částic k přenosu celé energie, nýbrž pouze její části.

Při nízkém tlaku, kdy je počet srážek relativně malý, vede tento fakt k tomu, že kinetická energie elektronů je větší, než kinetická energie iontů. Nebo, jinak řečeno, teplota elektronového plynu je vyšší, než teplota iontového plynu (neisotermické plazma). Tyto teploty se dají změřit nepřímými metodami. Bylo zjištěno, že například v kladném sloupci doutnavého výboje při tlaku kolem 0,1 mm rtuť. sloupce může přesahovat teplota elektronového plynu 1000000 K, a teplota iontů současně nepřevyšuje několik set stupňů.

Při zvýšení tlaku se počet srážek zvětšuje a zlepšuje se tepelná výměna mezi elektronovým a iontovým plynem, a proto se teplotní rozdíl mezi nimi vyrovnává. Při dostatečně vysokém tlaku mají elektrony a ionty stejnou teplotu ( isotermické plasma). Isotermické plasma vždy vzniká při ionizaci s pomocí vysoké teploty, například v kanále jiskrového výboje.


Plazma jako silně ionizovaný plyn má některé společné rysy s obyčejnými plyny a platí v něm mnohé plynové zákony. Jsou tu však i zásadní rozdíly, které se nejvíce projevují při působení magnetického pole. V takovém případě působí na částice plazmatu velké síly (tzv.Lorenzovy), které neexistují v plynu neutrálních atomů. Při pohybu částic ve směru magnetického pole jsou tyto síly rovny nule, při jejich pohybu napříč jsou naopak největší a tomuto pohybu brání.

Druhý velký rozdíl spočívá v tom, že elektrony a ionty v plazmatu na sebe vzájemně silně působí Coulombovými silami. Oba tyto faktory v kombinaci s velkou elektrickou vodivostí plazmatu vedou k tomu, že vlastnosti plazmatu a rovnice popisující jeho pohyb pod vlivem působení elektrického či magnetického pole jsou značně odlišné od obyčejných plynů a kapalin.


Studium zákonů pohybu plazmatu, které je posuzováno jako zvláštní druh elektricky velmi vodivé kapaliny, je předmětem zájmu magnetohydrodynamiky plazmatu a má velký význam především pro pochopení povahy mnohých astrofyzikálních procesů. Vědecké zkoumání vlastností plazmatu má i obrovský praktický dopad. Chování plazmatu a jeho vlastnosti lze totiž ovlivňovat na dálku pomocí vnějších elektromagnetických polí, jejichž zákony se elektricky nabité částice musí řídit. Lidstvu se tak otevírají zcela nové možnosti.


Kromě nejrůznějších technologií, využívajících dnes již běžně plazmatické prostředí při výrobě nejmodernějších elektronických součástek, k zušlechťování existujících materiálů či k vytváření materiálů zcela nových nebo naopak k rozkladu špatně likvidovatelných škodlivin atd., uveďme jen např. dobře "viditelné" nejrůznější typy nových zdrojů světla, které se díky své vysoké účinnosti dnes stále více na trhu prosazují.


Potenciál využití plazmatu však není ani dnes ještě zdaleka vyčerpán. Velkou budoucnost má výzkum plazmatu s teplotami stovek milionů stupňů, takovému plazmatu, které se nachází v jádrech hvězd a v němž probíhají termojaderné reakce poskytující hvězdám zdroj jejich nesmírné energie. Podaří se lidstvu něco podobného, co probíhá miliardy let ve hvězdách (a tedy i ve Slunci, jehož energii vděčíme za svou existenci), uskutečnit na Zemi a zajistit tím lidstvu dostatek nevyčerpatelné a ekologicky nezávadné energie do nejvzdálenější budoucnosti ?


Odhady provedené Organizací spojených národů předpovídají nárůst světové populace ze současných zhruba 6-ti miliard na 10-12 miliard ve druhé polovině příštího století. Většina tohoto nárůstu se odehraje v rozvojových zemích (se 4 miliardami obyvatel v současnosti). V roce 1990 byla spotřeba primární energie v průmyslových zemích 5,1 toe (tun ropného ekvivalentu) na obyvatele, což byl téměř desetinásobek spotřeby na hlavu v rozvojových zemích. Celková roční světová spotřeba činí v současnosti zhruba 10 miliard toe.

Odhady pro budoucnost ukazují, že tato potřeba primární energie bude silně růst a do poloviny příštího století se může ztrojnásobit. V té době také již dojde ke značnému úbytku zásob fosilních paliv a k nutnosti krýt rozdíl potřeby energie a jejích rezerv z jiných zdrojů. Je zřejmé, že již pro ne příliš vzdálenou budoucnost je nezbytně nutné vyvíjet nové a zlepšovat veškeré stávající dlouhodobé zdroje energie. Řízená termojaderná fúze je jednou z mála možností zisku energie, která může být bezpečná, ekologická, ekonomicky dostupná a volně přístupná i z geografického hlediska.


Je již dobře známo co je to termojaderná zbraň, zkráceně "vodíková" bomba. Její pokusnou explosí dokázalo lidstvo na Zemi již v roce 1952 "experimentálně" existenci procesu termojaderné fúze i s následným nekontrolovatelným (neřízeným) uvolněním obrovské energie. Na štěstí od její "roznětky", klasické štěpné atomové bomby, nebyla však termojaderná zbraň nikdy použita v praxi. Ale také, na rozdíl od štěpení uranu, se dodnes nepodařilo ovládnout termojadernou reakci tak, aby probíhala řízeným způsobem. I když se vědci o to snaží již téměř 50 let.

Mají k tomu pádné důvody, které jak bylo ukázáno výše, budou s postupem doby stále závažnější. Narazili však na jeden z největších úkolů, před kterým kdy lidstvo stálo.

Docílit sloučení dvou jader není totiž zdaleka tak jednoduché jako je rozštěpit. Všechna jádra mají stejný elektrický náboj a při vzájemném přibližování se tedy odpuzují. Teprve tehdy, podaří-li se nám je přiblížit na vzdálenost zhruba jejich vlastního rozměru, převládnou vnitřní přitažlivé jaderné síly a dojde tak k jejich sloučení.


Nejsnáze toho lze dosáhnout při použití dvou izotopů vodíku - deuteria a tritia. Jejich sloučením vznikají jádra zcela neškodného helia (nazývaná rovněž alfa částicemi, jakýsi "popel" termojaderného hoření) a neutrony. Neutrony z plazmatu volně unikají a musí být zachyceny v obálce (blanketu) hořící plazma obklopujícím. Důležité je, že přitom budou jadernými reakcemi s lithiem, obsaženým v blanketu, vyrábět dostatečné množství tritia, nahrazující tritium již spotřebované. Tritium se tak bude vyskytovat pouze uvnitř reaktoru, aniž by muselo být dodáváno do reaktoru z vnějších zdrojů (je totiž radioaktivní a práce s ním vyžaduje zvláštní opatření).

Naproti tomu lithium je zcela neškodný prvek, který se v zemské kůře vyskytuje v hojném nožství.
Kdybychom zvážili obě jádra před reakcí a pak zvážili produkty reakce, zjistili bychom váhový úbytek hmoty m. Tato chybějící hmota se podle známého Einsteinova vzorce E=m.c2 proměnila v energii. Vzhledem k tomu, že rychlost světla c je velké číslo (300 000 km/s), lze se snadno přesvědčit, že roční spotřeba primární energie České republiky (kolem 50 milionů toe) by byla pokryta přeměnou 20 kg hmoty. Vzhledem k tomu, že hmotový úbytek při fúzi deuteria a tritia činí jen asi 0,3%, znamená to, že by všemi našimi reaktory prošlo jen několik tun deuteria za rok.

Deuterium (těžký vodík), je obsaženo v malém množství i v obyčejné vodě. Jeho množství ve vodě Máchova jezera by postačilo krýt současnou spotřebu veškeré energie v našem státě po dobu zhruba 100 let.


Kromě nevyčerpatelnosti zásob paliva pro jadernou fúzi (při současné spotřebě energie se hovoří až o jedné miliardě let, v případě uranu jen o stovkách až tisících letech) a kromě minimálních potíží s ukládáním jen slabě a krátkodobě radioaktivních konstrukčních materiálů vnitřních částí fúzního reaktoru po jejich dosloužení, by měli jaderné fúzní reaktory před štěpnými ještě jednu nesmírnou přednost. Tou je vnitřní bezpečnost systému. Jakákoliv provozní porucha či jen odchylka vede k okamžitému ochlazení plazmatu a tím k okamžitému ukončení reakce (neexistuje zde žádný jev podobný řetězové reakci). Navíc, v reakčním prostoru nebude nikdy přítomno najednou více než několik gramů paliva.

Jakýkoliv výbuch reaktoru je tím vyloučen a dokonce i celkové zničení reaktoru vyšší mocí či násilným zásahem člověka by vedlo jen k následkům nesrovnatelně menším než tomu bylo např. v případě Černobylu (ve štěpném reaktoru je totiž uloženo veškeré palivo na mnoho let provozu).


Ukazuje se, že jediná praktická možnost, jak dostatečné množství jader "paliva" přiblížit natolik, aby byla překonána elektrostatická bariéra, je zahřát palivo na nesmírně vysokou teplotu několika set milionů stupňů (v případě jiných reakcí než deuteria s tritiem ještě mnohem více). A odtud již pramení technologické problémy budoucího fúzního reaktoru. Žádná hmota nemůže totiž přežít styk s tak horkým prostředím.

Plazma je tedy nutno velmi dobře od okolního světa izolovat. Ve snaze zkonstruovat reaktor pracující v trvalém režimu, využívají k této izolaci fyzici silných elektromagnetických polí, jejichž zákony se pobyb nabitých částic musí řídit. Zařízení, v nichž se daří horké plazma držet, se nazývají magnetické nádoby či dokonce magnetické pasti a v této souvislosti se mluví o fúzi s magnetickým udržením (na rozdíl od výzkumu fúze s tzv. inercionálním udržením pomocí laserových či iontových svazků, kde by se jednalo o serii po sobě následujících výbuchů, jakýchsi mikrobomb).

Nejdále pokročil výzkum fúze s magnetickým udržením na prstencových zařízeních s názvem Tokamak. Název zařízení, jehož princip vznikl již na přelomu padesátých a šedesátých let v Ústavu atomové energie v Moskvě, je zkratka ruských slov TOK A MAgnytnyje Katuški. Vystihuje velmi dobře podstatu udržení částic plazmatu v prostoru kolem osy prstence, s vakuovou mezerou oddělující plazma od stěn. Magnetické cívky, obepínající svými závity toroidální vakuovou komoru, vytvářejí silné toroidální magnetické pole. Vakuová komora a především pak v ní vytvořené plazma, představují sekundární závit velkého transformátoru. Proud, indukovaný do plazmatu z primárního vinutí transformátoru, pak plazma zahřívá (v těch největších tokamacích až na teploty téměř sto milionů stupňů).

Zároveň však, a to je právě onen trik tokamaků, který je vynesl do role vážných kandidátů na budoucí termojaderný reaktor, tento proud svým vlastním magnetickým polem vytváří z jednoduchého toroidálního magnetického pole skutečnou magnetickou nádobu. Výsledné pole je totiž šroubovicové a jediná magnetická siločára tak již není prostá kružnice, ale opisuje postupně celý tzv. magnetický povrch, od něhož se elektricky nabité částice nemohou příliš vzdálit.
To jsou však ale jenom teoretické představy.

Plazma po celou dobu, co tokamaky existují, dokazuje své zvláštní "kolektivní" chování, vyplývající z dalekého dosahu elektrických sil působících mezi jeho částicemi. Částice se dovedou jakoby shlukovat, organizovat a spojenými silami bariéru magnetického pole "prorážet". Projevuje se to buď trvale zvýšeným únikem částic i energie v "malém" (mikroskopickém) měřítku podél celého povrchu plazmatu, čemuž se říká anomální ztráty (teorie je nedokáže matematicky popsat, proto anomální), či v náhlém "výplesku" velkého množství energie v malém prostoru ohrožujícím materiál stěn a končícím často prudkým ochlazením až úplným zánikem plazmatu (přetržením prstence neboli disrupcí).


A právě neustálý boj za zlepšení udržení energie plazmatu byl až dodnes hlavním úkolem termojaderných fyziků po celá uplynulá desetiletí.
Dnes už je dělí od fyzikální demonstrace uskutečnitelnosti řízené fúze v pozemských podmínkách opravdu jen krůček. Je velká naděje, že se to podaří na největším současném tokamaku JET(Joint European Torus), projektu ES, jehož stavba přišla západoevropské daňové poplatníky na více než půl miliardy dolarů.V závěru roku 1997 byl na tomto zařízení již uvolněn jaderný výkon 16 MW, rovnající se 65% výkonu dodávaného vnějšími zdroji(kolem 25 MW).


Zařízení příští generace již bude s největší pravděpodobností schopné zapálit a nechat termojaderný "oheň" samovolně hořet. Takovým projektem by se měl stát ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) a bude to výsledek společného úsilí vědců celého světa. Po téměř již desetileté práci mezinárodních týmů, soustředěných do několika míst v Japonsku, Německu a USA a mnoha domácích týmů v řadě dalších zemí, se práce blíží ke svému závěru: vypracování výrobních podkladů pro průmysl a to na základě během projektu již vyvinutých a na modelech ověřených technologií: množství supravodičů obrovských rozměrů a s tím spojená kryogenika, nesmírně mechanicky a tepelně namáhané součásti o váze tisíců tun, použití materiálů v nikde se doposud vyskytujících extrémních podmínkách, bezpečné tritiové hospodařství atd.


ITER
již bude skutečným prototypem reaktoru, v němž by mělo být dosaženo samovolného stacionárního hoření jaderné fúze deuteria s tritiem po dobu blízkou jedné hodině. Výkon uvolňovaný termojadernou reakcí o velikosti kolem 1,5 GW bude přitom již pětkrát převyšovat výkon potřebný pro udržování reagujícího plazmatu na potřebné teplotě několika set milionů stupňů.
Ke skutečnému využití termojaderné energie by mohlo dojít někdy v polovině příštího století. Nebude to příliš pozdě ? Možná se nakonec ukáže, že výzkum využití termojaderné fúze je skutečně příliš náročný na to, než aby mohl být doveden ke zdárnému konci v podmínkách nějaké globální katastrofy, způsobené současným relativním nadbytkem fosilních paliv a tím i jejich nerozumnou spotřebou.